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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2009.tde-16022009-172602
Documento
Autor
Nome completo
Roberto da Rocha Lima
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2009
Orientador
Banca examinadora
Silva, Maria Lucia Pereira da (Presidente)
Matta, José Antonio Sevidanes da
Pereyra, Inés
Seabra, Antonio Carlos
Tan, Ing Hwie
Título em português
Construção de equipamento de plasma para obtenção de filmes finos e compósitos úteis na fabricação de sensores.
Palavras-chave em português
Compósitos
Filmes finos adsorventes
Fluorados
Hexametildissilazana
Microreatores
Polimerização por plasma
Resumo em português
Equipamentos de plasma são muito utilizados para polimerização de filmes finos, orgânicos e inorgânicos. Filmes finos têm uma vasta gama de aplicações no desenvolvimento de dispositivos MEMS (MicroElectroMechanical Systems), tais como sensores, detectores, pré-concentradores, etc. Portanto, neste trabalho é apresentado um equipamento de polimerização por plasma com características distintas, o que permite seu uso para obtenção de novos filmes finos e/ou compósitos em uma única etapa de fabricação. Os filmes obtidos são formados por partes orgânicas distintas, ou mesmo por regiões adsorventes ou repelentes. Alguns filmes possuem partículas orgânicas em mistura com o filme fino, o que facilita o controle da rugosidade e da área superficial, permitindo seu uso em sistemas de retenção. O projeto do reator permite deposições por plasma introduzindo, simultaneamente e sem interrupção do processo, reagentes incompatíveis em plasma ou mesmo a formação seqüencial de camadas, sem a necessidade de abertura do reator entre as etapas do processo (etapa única). O projeto da câmara de plasma foi simulado usando FEMLAB 3.2® e caracterizado utilizando traçadores. Simularam-se fluxo de gás e partículas além de campo elétrico e magnético. As simulações e resultados experimentais mostraram boa coerência. O fluxo permaneceu sem grande vorticidade em toda a faixa de trabalho e o campo magnético foi adequado para o confinamento do plasma. Foram depositados filmes úteis para desenvolvimento de sensores e adsorventes, resistentes a corrosão ou compósitos. Foram polimerizados por plasma: hexametildisilazana (HMDS) com produção de filme hidrofóbico e adsorvente; metil-nonafluoro(iso)butil-éter (HFE 7100®), obtendo-se filmes com características adsorventes, mas oleofóbicos e medianamente hidrofílicos e 2,3-dihidrodecafluoropentano (Vertrel®) com formação de filmes com boa resistência à corrosão além de facilidade de adsorção. Partículas de amido foram recobertas com filme a base de HMDS e de HFE 7100 e mostraram boas propriedades para retenção de moléculas orgânicas de tamanho médio. Neste equipamento, filmes à base de HMDS mostraram-se úteis para retenção de compostos orgânicos, em fase líquida ou gasosa. Espectroscopia de infravermelho, da produção simultânea de filme a base de HMDS e de Vertrel, mostrou espécies de flúor e silício e eventualmente CO, porém CHn é a espécie em menor intensidade. Microscopia óptica dos filmes revela boa aderência em metais e acrílico e, para os fluorados, resistência a solventes orgânicos e à exposição a solução aquosa ácida ou básica. Intermixing e dupla camada só são obtidas em condições muito estreitas, entretanto, existe a possibilidade de formação de ilhas. Microbalança de quartzo mostrou que 2-propanol permeia no filme formado por intermixing de HFE7100 e HMDS, porém não existe nenhuma sensibilidade a n-hexano. Um microreator fabricado, com microcanais de 73 cm de comprimento, pôde reter aproximadamente 9.10-4 g/cm2 de 2-propanol em fase gasosa, usando-se o filme obtido por intermixing. Portanto, o filme é um bom candidato a preconcentração de compostos orgânicos voláteis em ambiente corrosivo. Uma microestrutura produzida com as partículas de amido recobertas foi proposta para avaliar em fluxo contínuo a contaminação de soluções aquosas. Foi possível determinar a contaminação na proporção de 1:200 em vol. de 2-propanol, com saturação em 25% em vol.
Título em inglês
Design and manufacturing of a plasma reactor useful for thin film and composite production on sensor development.
Palavras-chave em inglês
Composites
Fluorocompounds
Hexamethyldisilazane
Microreactor
Plasma polymerization
Thin films adsorbents
Resumo em inglês
Plasma equipment is quite useful for polymerization of organic/inorganic thin films. Thin films have a vast range of applications as sensor, detectors, preconcentrators and so on. In this work plasma polymerization equipment is presented with innovative characteristics that it should allow the obtaining of new fine films and composites. These films can be formed not only with different organic parts but also with areas adsorbents and repellents. Some films will present particles, ceramic or metallic, in mixture with the organic thin film, which will facilitate the control of the roughness and of the superficial area, allowing its use in retention systems. The design of the reactor allows plasma depositions introducing more than one reactant simultaneously and without process interruption, or even sequential formation of layers, without the need of chamber opening among process steps, i. e., in a single step. It was simulated and characterized parts of the equipment, such as: gas flow and particles admission; electric and magnetic fields profiles. Therefore, a new plasma chamber with atypical geometry was simulated and projected and manufactured to obtain multiple layers and/or composites. The simulation and experimental results showed good coherence. The gas flow stayed without great vorticity in the all range of the work and the magnetic field was adequate for plasma confinement. As the main objective of this work is the production and characterization of news materials, thin films were deposited with purpose of being adsorbent; corrosion resistant; and composite, all useful for development of sensor. It was plasma polymerized: hexamethyldisilazane (HMDS), a well known organic silicon compound, methyl nonafluoro (iso) butyl ether: should have good resistance to the corrosion besides easiness of adsorption; and 2,3-dihydrodecafluoropentane: adsorbent, hydrophobic and oleophobic. Particles (starch 5mm), were recovered with HMDS and HFE 7100 and showed good properties for retention of medium size organic molecules, such as dye. The results were useful for retention of organic compounds, in liquid or gaseous phase. Not only, HMDS is possible in any configuration of electrodes and the obtained films are hydrophobic but also, fluorinated compounds polymerized, however, intermixing and couple layer is only obtained in very narrow conditions, but the possibility of formation of islands exists. The chemical characterization was determined for infrared spectroscopy, it showed species composed by fluorocompounds, and eventually CO, however CHn is the smallest species. The hydrophobic character, organophylic and oleophobic were obtained through contact angle measurements. Optical Microscopy not only reveals good adherence in metals and acrylic but also resistance to organic solvents, acid and exhibition of basic aqueous solution. A manufactured micro-reactor, with micro channels of 73 cm of length, can keep approximately 9.10-4 g/cm2 of 2-propanol in gaseous phase. Therefore, the film is a good candidate in organic preconcentration of volatile organic compounds even on corrosive environment.
 
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Data de Publicação
2009-08-18
 
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